Академик Владимир Фортов: «Очарование науки — в её непредсказуемости»

Елена Лозовская

В беседе с главным редактором журнала «Наука и жизнь» Еленой Лозовской академик Владимир Фортов рассказывает о том, что творится в безбрежном мире физики.

В январе 2016 года члену редакционного совета журнала «Наука и жизнь», президенту Российской академии наук, директору Объединённого института высоких температур РАН Владимиру Евгеньевичу Фортову исполняется 70 лет.

Академик Владимир Евгеньевич Фортов.
Наука и жизнь // Иллюстрации
В сильно сжатой плазме (такую плазму называют электромагнитной, так как взаимодействие между заряженными частицами описывается кулоновским потенциалом) вещество приобретает «универсальную» структуру. Высокие давления и температуры разрушают молекулы, атомы теряют внешние электроны, ответственные за химическую индивидуальность вещества, и различия между соседними элементами периодической системы Менделеева сглаживаются. При распаде протонов и нейтронов образуется кварк-глюонная плазма — «кварковый суп». Кварк-глюонную плазму считают самой «старой» формой материи, поскольку она существовала уже в первые микросекунды после Большого взрыва. В природе кварк-глюонная плазма может возникать в центре нейтронных звёзд и чёрных дыр.
Наука и жизнь // Иллюстрации

В беседе с главным редактором журнала «Наука и жизнь» Еленой Лозовской академик Владимир Фортов рассказывает о том, что творится в безбрежном мире физики, что общего между электромагнитной плазмой и кварк-глюонной плазмой и что бывает, когда в науке начинают расставлять приоритеты.

— Владимир Евгеньевич, с чего началась для вас физика?

— В подмосковном Ногинске, где я родился, был военный аэродром. Там испытывали лётную технику, и случалось, что самолёты разбивались. Их свозили в определённое место, и мы, мальчишки, любили копаться в этих железках, деталях, приборах. Отец — он был инженером-вооруженцем — интерес к физике и технике во мне поддерживал. С учителями в школе тоже повезло, до сих пор помню их уроки. А кроме того, 1960-е годы — это ведь золотой век грандиозных космических достижений: корабли на орбиту запускали, на Луну отправляли аппараты один за одним. В обществе был настрой на науку, технику. Я, например, даже став взрослым, долго не понимал, да и сейчас не понимаю, как мужчина может работать официантом. Мужчина — лётчик, военный, инженер, рабочий, учёный — это да! Но не официант или охранник. Сейчас это считается нормальным, а тогда был нонсенс, по крайней мере для меня и моего поколения.

— И вы решили после окончания школы поступать на Физтех…

— Нет, на Физтех я попал случайно. Физтех мне казался недоступным — как Эверест. Даже мечтать о поступлении туда было как-то нескромно. Относительно института я вообще не «мандражил», и вот почему. В школе я довольно быстро прогрессировал в спорте. А в то время шла настоящая охота за школьниками с хорошими спортивными данными. Мне, с моим ростом, хорошо давались прыжки, метание и особенно баскетбол. Я рано стал мастером спорта по баскетболу, играл за сборную школьников России. И тренер мне обещал, что после школы меня в МГУ на любой факультет возьмут вне конкурса. Но получилось, что я за компанию с приятелем поехал на Физтех, — там экзамены начинались на месяц раньше, чем в других вузах. На Физтехе система была такая, что подготовиться к экзаменам было практически невозможно, задачи давали нестандартные. Сейчас я эти задачи не решил бы, а тогда — сообразил. Получил приличные оценки и прошёл с хорошим запасом — не потому, что много знал, а потому, что был спокоен и подготовлен в школе. Конечно, без каких–либо репетиторов.

— Расскажите, пожалуйста, как получилось, что вы заинтересовались физикой экстремальных состояний вещества?

— На Физтехе действует система базовых кафедр, когда студентов на втором курсе прикрепляют к какому-то научному институту. Я попал в Институт физики Земли. Там студентам читали курсы лекций по физике взрыва, а взрыв — это экстремальное состояние, быстрое выделение энергии, высокое давление, температура. Особая наука — как эту энергию аккумулировать, как сделать, чтобы взрыв происходил в заданных условиях. В нашей стране газодинамика взрыва была на очень хорошем уровне благодаря работам академика Якова Борисовича Зельдовича, моего учителя, Леонида Ивановича Седова и многих других выдающихся учёных. Эти люди создали науку, которая называется «физика взрыва и детонации». Но то, чем предлагали студентам заниматься на базовой кафедре института, казалось нам тогда скучным: определить профиль взрывной воронки, померить отношение толщины валика к глубине... А мы-то мечтали о квантовой механике, о теории чёрных дыр. Я вообще хотел заниматься ядерными ракетами — молодой был, нахальный.

Жил я в общежитии, а в общежитии все про всё знают. Лучшего места для сбора секретной информации не найти, студенты друг другу чего только не рассказывают. И мне рассказали, что в НИИТП (сейчас это Исследовательский центр имени М. В. Келдыша) занимаются ядерными ракетными двигателями. На Физтехе регулярно устраивался «Юрьев день», когда любой студент мог перейти учиться, куда хочет — на любую другую кафедру. Пришёл я к заведующему кафедрой и сказал, что хочу уйти. Тот воспротивился. Пообещал устроить встречу с научным руководителем института, академиком Михаилом Алексеевичем Лаврентьевым, — он в то время занимался строительством новосибирского городка. В конце концов встреча состоялась, но лучше бы её не было. Потому что нас, студентов, собрали и Лаврентьев стал объяснять, как при помощи кирпичей, поставив их в стопку один на один, можно определить силу ударной волны от взрыва. И это на фоне квантовой механики и ядерного ракетного двигателя! В общем, мы достоинств этой методики не оценили, и после той встречи ушла почти вся группа, а детонатором процесса стал я.

Так я попал в НИИТП и стал заниматься газофазным ядерным ракетным двигателем. Этой теме посвящена моя первая книга — конечно, я там был не единственным автором, но самым молодым. Мне тогда было около двадцати.

Принцип действия такого двигателя предполагает высокие температуры и давления. Только представьте, в двигателе возникает плазменная струя из урана, давление в ней под тысячу атмосфер, температура под двадцать тысяч градусов. Если бы ядерный ракетный двигатель удалось создать, это было бы выдающимся достижением и мы бы на Марс давно слетали. Для космических исследований такой двигатель имеет неоценимые преимущества, потому что плотность энергии, которой обладает ядерное топливо, в десять миллионов раз больше, чем химические топлива. К сожалению, двигатель тогда не пошёл. Зато пошли результаты, интересные с точки зрения фундаментальной науки.

Когда в НИИТП стали подбирать параметры двигателя и смотреть, что происходит в плазме урана, оказалось, что в струе возникает неидеальная плазма. Это такая плазма, в которой кулоновское взаимодействие между частицами больше, чем тепловая энергия. Похожая картина, кстати, наблюдается в жидкости. Например, вода в стакане. В жидкости энергия взаимодействия частиц между собой больше тепловой энергии.

Красивый пример неидеальной плазмы — пылевая плазма. Она состоит из пылинок микронного размера, на которых собирается большой электрический заряд, и из-за этого заряда энергия кулоновского взаимодействия может в миллионы раз превосходить энергию хаотического теплового движения. Образуется упорядоченное состояние, по структуре похожее на кристалл. Хаотическое движение плавит кристаллическую решётку, а сильное взаимодействие её упорядочивает — строит. Как идут эти процессы при разных режимах — интереснейший вопрос фундаментальной физики.

Вот мы с вами беседуем, а на орбите, на МКС летает установка «Плазменный кристалл-4», где в электрическом разряде возникает пылевая плазма и пылинки выстраиваются в стройную решётку. В земных условиях такой эксперимент не получится — гравитация мешает, «раздавливает» кристалл.

Но начинали мы с экспериментов, в которых сильно неидеальная плазма порождалась ударными волнами. Всё оружие, все взрывы — атомные, химические, космические — так или иначе связаны с ударными волнами. Когда самолёт в сверхзвуковом режиме летит, мы слышим два хлопка, это тоже проявление ударных волн. Вещество так устроено, что если что-то взорвалось, то возникает импульс давления. Этот импульс сначала становится всё круче и круче, а потом из-за вязкости среды нарастание крутизны прекращается и возникает ударная волна. Если правильно померить скорость её движения и скорость движения сжатого вещества, можно сделать выводы о свойст-вах среды. Именно таким образом мы и получаем информацию о свойствах сильно неидеальной плазмы.

Проблема сильно неидеальных сред очень общая и вполне фундаментальная. Во Вселенной 98% материи, которую мы видим (так называемой барионной материи), находится именно в сильно сжатом плазменном состоянии — звёзды, включая наше Солнце, планеты, нейтронные звёзды, чёрные дыры и т. п.

— Получается, что состояние вещества, которое, с нашей, человеческой, точки зрения, выглядит экстремальным, для Вселенной — типично?

— Да, это так. Как раз наши земные условия — давление в одну атмосферу и температура 20 градусов Цельсия — по меркам Вселенной — абсолютная экзотика. Даже у нас под ногами, в центре Земли давление в три с половиной миллиона атмосфер. Мы, люди, — существа очень слабенькие. Ударная волна с амплитудой около двух десятых атмосферы человека убивает. Температура выше 50 градусов Цельсия — тоже.

Чтобы понять, что происходит в мас-штабах Вселенной, надо научиться моделировать астрофизические процессы. Эти модели требуют знания свойств вещества при больших давлениях и температурах. Почему при больших? В природе есть две движущие силы, которые определяют эволюцию вещества, — гравитация и термоядерная реакция. При ста миллионах градусов и выше в звёздах начинаются реакции термоядерного синтеза; с нарастанием массы растёт гравитационное сжатие. Эти два механизма определяют рождение, эволюцию и гибель звёзд.

Мы уже научились воспроизводить в лабораторных экспериментах, в малом масштабе, такие состояния вещества, которые подобны тем, что происходят в звёздах, планетах–гигантах и экзопланетах.

Чтобы получать сильно неидеальную плазму, мы генерируем мощные ударные волны. Для этого используем химические взрывчатые вещества, лазеры и электронные пучки. А измерения проводим в фемтосекундном диапазоне, это 10-15 секунды — очень короткие времена.

Я считаю, что мне и моим коллегам повезло. Мы напали на такую научную область, которая безумно интересна и имеет массу технических приложений. Казалось бы, что общего между нашими взрывными делами и новым состоянием вещества — кварк-глюонной плазмой? Тем не менее и там и там можно применять одни и те же методики. Например, берутся два ядра, разгоняются в ускорителе до субсветовых энергий, сталкиваются. Возникают высокие температуры и давления. И если эти температуры больше ста восьмидесяти миллионов электрон-вольт (примерно 2·1012 К), то протоны и нейтроны, из которых состоят ядра, распадаются.

— Удивительно, что вообще можно говорить о температуре, когда сталкиваются два ядра…

— Речь идёт о так называемой капельной модели ядра. Додумались до этой модели наши соотечественники академики Лев Давидович Ландау и Исаак Яковлевич Померанчук, предложившие рассматривать ядро как каплю жидкости. Капельная модель помогла понять, как разваливается ядро. В качестве осколков из ядра вылетают нейтроны. Нейтрон попадает в другое ядро, которое теряет стабильность и тоже распадается.

Сейчас применение подобных моделей выходит на новый уровень. Что, например, происходит, когда сталкиваются два ядра? Когда они столкнулись, и для нашего разговора это важно, по ним побегут мощные ударные волны. Независимо от того, что сталкивается — две пули, два снаряда, два ядра, — идёт ударная волна, возникают высокие температуры и давления, и вещество начинает «испаряться». По динамике движения этих ударных волн и динамике разлёта ядерного вещества можно судить о свойствах ядерной материи при ультравысоких давлениях и температурах.

В ядерной физике это означает, что адроны, к которым относятся протоны и нейтроны, распадаются на кварки. Кварки — частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, — обладают интереснейшим свойством, — они могут существовать только внутри ядра. Так вот, при релятивистском столкновении тяжёлых ядер возникает некое новое состояние вещества, кварк-глюонная плазма.

Это безумно увлекательная физика, а самое для нас интересное, что методологически к ней применимы те подходы, которые разработаны, например, для процесса столкновения двух пуль. Поэтому кварк-глюонная плазма тоже попадает в сферу исследований, которые мы проводим в Научно-исследовательском центре теплофизики экстремальных состояний.

— Какие области физики надо сейчас поддерживать? Где может быть прорыв, чем исследователи нас смогут удивить?

— Я могу ответить просто: поддерживать надо всё, что интересно. Всё то, где мы не понимаем природу до конца. Потому что любые другие советы, установление приоритетов и прочее — это всё от лукавого. Невозможно предсказать, что нового произойдёт в фундаментальной науке. Только человеческий интерес служит её движущей силой. Ландау говорил — нельзя работать на открытие, надо заниматься тем, что тебе интересно. Если, конечно, это настоящая физика.

Если техника — там другое дело, там могут быть приоритеты. Допустим, нам нужен широкофюзеляжный самолёт, тогда необходимы планы, сроки, ресурсы. Но не в фундаментальной науке! Яркий пример — тёмная материя и тёмная энергия. Буквально двадцать лет назад никто не мог предположить, что такое возможно. Были только некие теоретические варианты у Эйнштейна. А когда стали измерять, как расширяется Вселенная, то увидели, что она расширяется с ускорением… Очарование науки — в её непредсказуемости. Вы не знаете, какой результат, какое открытие ждёт вас завтра. Поэтому люди идут в науку. Как и в жизни — как скучно бы нам жилось, если бы мы всё знали о своём будущем!

— Сейчас есть кому заниматься фундаментальной наукой?

— Ответить «нет» или «да» — очень трудно. У меня кафедра в МФТИ, есть также кафедры в МВТУ, МИФИ, МЭИ, в Институте высоких температур РАН. По своему преподавательскому опыту могу сказать, что приходят потрясающе интересные ребята. Другое дело, что их трудно удержать, и проблема не только в деньгах. В науке действует принцип «seven — twenty four», то есть вы должны иметь возможность работать семь дней в неделю, 24 часа в сутки. Если вы молоды и реально занимаетесь наукой, вам ничто не должно мешать, вы должны быть интеллектуально свободны. Разговоры наших чиновников о том, что пусть студенты подрабатывают, что ничего в этом страшного нет, — это абсолютно неправильно. Студент, аспирант должен заниматься тем делом, ради которого пришёл в науку. Иначе он будет уже не первым, а вторым. А это как осетрина «второй свежести».

Вообще, самое страшное, это когда неграмотные люди берутся решать за профессионалов. Мне вот приходят письма с вопросами типа «Почему вы не используете тёмную материю в энергетике?». Можно подумать, что тёмная материя — это уголь. Наука — такая область, от которой все, я имею в виду чиновников, хотят быстрее получить результат, чтобы первым побежать и доложить. Но выделять деньги на исследования, которые то ли дадут результат, то ли нет, они не хотят.

Они забывают, что электричество было открыто не вследствие инновационного проекта модернизации свечи. А в плане работы патентного бюро в Цюрихе не было теории относительности Альберта Эйнштейна. Вот уж воистину: «Хочешь рассмешить Господа — расскажи ему о своих планах».

Есть ещё один момент. В науке переднего края существует жёсткая конкуренция. И крайне важно получить результат первым. Опередить коллегу. Часто Нобелевские премии присуждают по приоритету всего в месяц—неделю. Бюрократ же затягивает работу. Теряется драгоценное время на бессмысленное согласование, увязки, планирование и тому подобную ерунду. Всё это гробит нашу конкурентоспособность. Ведь ещё великий академик Пётр Леонидович Капица говорил: «В науке всё решают быстрота, смелость, масштабность и доверие».

Желание бюрократов загнать всех в одно стойло — смертельно для настоящей науки. Сейчас ФАНО проводит реструктуризацию. Приезжает чиновник в город, скажем в Красноярск, видит семь институтов — институт леса, институт полупроводников, институт химической технологии… — и думает: «О, я их сейчас объединю, средства сэкономлю». И что? Да ничего. Погибнут все, кроме одного. Наука — тонкая сфера, и вмешательство туда чиновника крайне опасно, губительно для дела и недопустимо.

— Есть шанс, что отношение чиновников к науке изменится?

— Ради этого я и пошёл на то, чтобы стать президентом РАН. Если сложить лапки и перестать бороться, тогда точно ничего не получится. Надо работать, надо убеждать, надо отстаивать право науки на свободное развитие.

 

Читайте в любое время

Статьи по теме

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки